免摻雜、非對稱異質接觸晶體硅太陽電池的研究進展*

趙生盛 徐玉增 陳俊帆 張力侯國付? 張曉丹 趙穎

免摻雜、非對稱異質接觸的新型太陽電池由于近幾年的飛速發展,理論轉化效率已達到28%,具有較大的發展空間,引起了人們的重視.由于傳統晶硅太陽電池產業存在生產設備成本高、原材料易燃易爆等諸多限制,市場對太陽電池產業低成本、綠色無污染的期待越來越高,極大地增加了免摻雜、非對稱異質接觸的新型太陽電池研究和開發的必要性.為了進一步加快免摻雜、非對稱異質接觸晶體硅太陽電池的研究進度,本文對其發展現狀進行了綜述,著重討論了過渡金屬氧化物(TMO)載流子選擇性運輸的基本原理、制備技術以及空穴傳輸層、電子傳輸層和鈍化層對基于TMO構建的免摻雜、非對稱異質接觸(DASH)太陽電池性能的影響,以期對電池的工作機理、材料選擇有更深刻的認識,為新型高效的DASH太陽電池制備提供指導.

1 引 言

當前光伏市場中晶體硅電池的占有率達90%左右,且在未來很長一段時間內都將占據主導地位.光伏市場的發展對高效率的高端太陽電池需求越來越大,單晶硅(c-Si)由于其自身完美的晶體結構和相對較低的成本成為高效光伏電池的理想選擇[1],目前最高效率已經達到26.6%[2].

在影響c-Si電池的各種因素中,硅片質量的提高使得c-Si電池的體復合越來越小,新型鈍化層及其制備技術的發展使得表面復合大幅降低,金屬電極與c-Si接觸處的復合成為影響電池效率的關鍵因素,也被認為是接近理論極限效率的最后一個障礙[3,4].為減小金屬與c-Si接觸處的復合,一方面可以通過電池背面局部開孔來減小金屬與c-Si直接接觸面積,這類電池包括 PERC,PERL和PERT等電池[1],利用這種方法雖然效率達到或者接近25%,但是這些電池中金屬與c-Si直接接觸依然存在.而且背面開孔工藝復雜,會對開孔處的硅材料造成損傷,另外,局部開孔使得載流子偏離垂直于接觸面的最短路徑并擁堵在開口處,導致填充因子損失.另一方面,已經開發出既能夠實現優異表面鈍化、又無需開孔便可分離和輸運載流子的新型接觸方案,即載流子選擇性鈍化接觸[2?9].使用這一方法能夠實現硅片表面的全面積(包括接觸區和非接觸區)鈍化,此時載流子在兩端電極之間是一維輸運,有利于獲得高填充因子.

鈍化接觸對于電子和空穴的選擇性可通過摻雜來實現,這類電池主要包括硅異質結(SHJ)電池和隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池,分別采用 i-a-Si:H/doped a-Si:H和 SiO2/doped poly-Si的組合來同時實現全表面鈍化和載流子選擇性輸運,最高效率分別達到 26.6%[2]和 25.7%[5].但是,上述載流子選擇性鈍化接觸需要相對昂貴的PECVD設備,使用了易燃易爆的SiH4以及劇毒B2H6和PH3等原材料,且硅薄膜相對較小的禁帶寬度會導致寄生光吸收偏大導致電池性能降低.

另外,鈍化接觸對于電子和空穴的選擇性也可以通過接觸材料的功函數與c-Si導帶和價帶的匹配來實現.目前,電子選擇性接觸材料主要包括低功函數的 LiFx,MgFx,MgOx,TiO2和 ZnO,以及具有極低功函數的堿土金屬Mg和Ca[6,7].空穴選擇性接觸材料大多為過渡金屬氧化物(TMO),比如 MoOx,WOx,V2Ox和 NiOx等[6,7].當 c-Si兩側均采用與TMO構成的異質結來實現電子和空穴選擇性接觸時,該類無摻雜、非對稱異質接觸的太陽電池被稱為DASH(dopant-free asymmetric heterocontacts)電池[8].基于TMO構建的DASH太陽電池具有多方面的優勢[6?12],如TMO禁帶寬度較大、寄生光吸收很小、以及有利于提高電池短路電流密度等.并且大多數的TMO可以采用熱蒸發技術或溶液法等低成本技術來制備,避免了使用易燃易爆和有毒氣體,安全性更高.

DASH太陽電池具有高效率的潛力,已經報道的理論最高效率達28%[9].本文闡述了基于TMO構建的DASH太陽電池的研究進展,并且針對現存問題提出使用MoOx作為空穴選擇性接觸、ZnO作為電子選擇性接觸構建新型高效的DASH太陽電池.

2 基于TMO載流子選擇性輸運的基本原理

2.1 TMO/c-Si電池中的載流子分離機理

在常規太陽電池中,PN結的內建電場被認為是分離光生載流子形成電流的內動力,而現在的研究認為,太陽電池并不一定必須要有明確的PN結,形成電流的驅動力可以是準費米能級梯度.光照使平衡的費米能級分裂形成準費米能級,準費米能級的梯度為光生載流子的移動提供動力.吸收層兩側載流子接觸區的非對稱電導率提供動力使被分離的光生載流子向不同的方向移動[13,14].如果將太陽電池抽象為吸收層、鈍化層以及接觸三部分,載流子的運輸過程如圖1所示.

在吸收層激發出的電子-空穴對分別沿著導帶和價帶遷移.由于電池表面良好的鈍化,載流子極少在表面復合,而是最終移動到兩側的接觸區域.理想情況下,圖1中電子向左流動,通過電子接觸到達外電路,電子接觸區對電子(多子)電流的電阻損耗稱為接觸電阻(ρc),該數值表明鈍化接觸對多子的輸出能力.理想情況下,圖1中空穴向右流動,通過空穴接觸到達外電路.如果有些空穴“錯誤”地向左流向電子接觸區,雖然電子接觸區將阻擋多數的空穴(少子),但是仍然難以避免該區域少子空穴與多子電子的復合,稱之為復合電流(J0c),該數值表明鈍化接觸對少子的阻擋能力.因此,復合電流J0c和接觸電阻ρc是表征鈍化接觸對載流子的選擇性的最重要的兩個參數[13].

圖1 鈍化接觸太陽電池結構及載流子輸運方式[13]Fig.1.Passivated contact solar cell structure and carrier transport mode[13].

Gerling等[15]認為TMO高功函數與n-Si費米能級之間的能級差異是達到費米能級平衡的驅動力,載流子選擇性是由n-Si誘導產生的能帶彎曲控制的.TMO功函數與n-Si費米能級之間的能級差異(約1.2eV)無法滿足費米能級平衡的需要,所以TMO/n-Si界面應該存在負電荷的偶極子,導致能帶偏移,使得載流子的輸運更加復雜.而Battaglia等[16,17]則認為MoOx/c-Si電池中MoOx更多地表現出高功函數的類金屬行為,不僅c-Si表面能帶發生彎曲,而且MoOx能帶也會有一定的彎曲.Sun等[18]通過UPS和XPS測試研究了MoOx/n-Si的能級排列,發現在界面的兩側均存在一個與能帶彎曲(約0.80eV)相關的界面偶極子(約0.97 eV),以此來保持熱動力學的平衡.

2.2 載流子在TMO/c-Si界面的輸運過程

基于TMO的鈍化接觸對電子和空穴的選擇性可以通過TMO功函數和c-Si導帶和價帶的匹配來實現.以高功函數MoOx和低功函數ZnO(SnO2)為例,如圖 2 所示,由于 MoOx和 c-Si之間存在較大的功函數差,使得c-Si表面能帶彎曲,電子被誘導反型層勢壘排斥;空穴可以在靠近界面的勢阱中聚集,并通過帶間隧穿或缺陷輔助隧穿而到達 MoOx導帶,實現對空穴的選擇性輸運[6?8].對于ZnO(SnO2)/c-Si界面,兩者的導帶帶階差ΔEc很小,可以方便電子的輸運,而兩者的價帶帶階差ΔEv較大,可以充分阻擋空穴,從而實現對電子的選擇性輸運[19].

圖2 能帶結構示意圖Fig.2.energy band structure diagram.

Battaglia 等[17]比較了 MoOx與p-type a-Si:H能帶排列圖,兩種接觸共同的特點是在n-Si表面形成反型層,n-Si的能帶彎曲以及n-Si和a-Si:H的導帶帶階差共同形成對電子較大的勢壘.兩種情形下MoOx和p-a-Si:H都能夠提供類似的空穴抽取條件,即空穴首先越過n-Si和a-Si:H價帶帶階差形成的勢壘,然后經過a-Si:H的帶尾態或者MoOx的氧空位缺陷,最終到達ITO前電極[16,20].

Vijayan等[21]和 Messmer等[22]分別模擬研究了TMO/Si界面的空穴輸運路徑,一致認為包含直接帶間隧穿(B2B)和缺陷輔助隧穿(TAT)兩種可能,具體是哪種運輸機制主要取決于TMO電子親和勢的大小.如果TMO具有足夠大的電子親和勢(即具有高功函數),使得TMO導帶低于c-Si價帶,此時直接帶間隧穿是主要的輸運機制.如果TMO電子親和勢較小(即功函數較低),則需要借助TMO的體缺陷來實現缺陷輔助隧穿,這可能會帶來額外的串聯電阻.電子親和勢進一步減小時,由于TMO中沒有足夠的缺陷狀態,電池的JV曲線將呈現S形狀.這些結果進一步表明,增大TMO的功函數(電子親和勢)對提高TMO/Si太陽電池的性能非常關鍵.但是上述模擬結果需要與實際電池性能分析相結合來進行驗證[23,24].

3 基于TMO載流子選擇性接觸的硅異質結太陽電池的研究現狀

3.1 TMO空穴選擇性接觸材料的選擇及電池性能

TMO中可作為空穴選擇性接觸的最常見材料是 MoOx,V2Ox和 WOx,雖然這些材料表現為n型特征,但這些材料的功函數最高約達6.0eV,與功函數相對低的n型c-Si(約4.35eV)有較大的功函數差.當 TMO/c-Si接觸時,電子從 c-Si費米能級流向TMO功函數能級,引起c-Si表面能帶彎曲值與p+-a-Si:H引起的能帶彎曲值相近,這為TMO/c-Si電池的高效率奠定了基礎[25].

目前研究最多的空穴選擇性接觸材料是MoOx[6-8,10,16,25,26].2014 年,Battaglia 等[16]采用熱蒸發的方法直接在n型c-Si上沉積了15nm的MoOx作為空穴選擇性接觸,制備的電池效率為14.3%.2016 年,Bullock 等[8]以 c-Si為襯底吸收層,前后表面全部由本征a-Si:H鈍化,空穴選擇性接觸為MoOx,電子選擇性接觸為LiFx.在無摻雜的條件下實現了714mV的開路電壓和19.4%的效率.2015 年,Geissbühler等[26]采用 MoOx代替傳統SHJ電池中的p+-a-Si:H發射極,電池效率達到22.5%,是目前基于TMO空穴選擇性接觸電池的最高效率.

而Gerling等[15]和Wu等[27]分別對比研究了基于V2Ox,MoOx和WOx的空穴選擇性接觸及相應的硅異質結電池,普遍認為采用V2Ox作為空穴選擇性接觸的電池性能更好.Wu等[11]設計并實現了V2Ox/Au/V2Ox多功能空穴選擇性接觸,全背電極接觸(IBC)結構的電池效率達到19.02%.Masmitjà等[12]采用單層V2Ox作為空穴選擇性接觸,電池效率達到19.1%.上述研究表明V2Ox作為空穴選擇性接觸具有很大潛力.

Imran等[9]采用NiO作為空穴選擇性接觸,利用其較寬的帶隙(>3eV)來消除標準硅異質結太陽電池的寄生吸收,理論效率達到28%.由于NiO能帶與Si的能帶有著近乎完美的匹配,確保了更高的填充因子.建立的NiO/c-Si/TiO2器件模型如圖3所示,研究表明,隨著NiO的摻雜濃度降低,表面陷阱引起的劣化顯著增加,c-Si中的表面電場降低引起的復合增加.Menchini等[28]通過實驗表征了NiOx的光電特性,通過濺射的方法將NiOx作為硅基異質結太陽電池的空穴選擇性接觸層,降低了由a-Si:H作為發射極帶來的濾波效應.但是由于NiOx電導率較低,仍然需要高電導的TCO來完成異質結構以降低器件的串聯電阻.通過模擬表明,提高電池的轉化效率需要優化NiOx的沉積工藝,并且在NiOx和c-Si的界面之間沉積優化緩沖層來提高鈍化質量.Yin等[29]采用溶液法制備NiOx薄膜并將其應用于倒置結構的鈣鈦礦太陽電池中,隨著鈣鈦礦層的厚度增加光吸收和光生載流子的密度也會明顯增大,但是電子和空穴的傳輸距離也增加,導致了較大的傳輸阻力.通過優化NiOx構成的空穴傳輸層,該電池結構獲得了77.51%的填充因子以及15.7%的轉化效率.Chen等[30]通過在鈣鈦礦太陽電池結構中添加NiOx,TiOx等氧化物層來改善電子、空穴的通過效果,電導率和填充因子得到了極大的提高(>80%),效率達到16.2%.NiOx作為空穴傳輸層在鈣鈦礦電池中已經獲得了良好的應用并取得了較好的結果,但是在NiOx/c-Si結構的太陽電池中尚未取得良好結果,有著較大的發展空間.

圖3 NiO/c-Si/TiO2 結構太陽電池示意圖[9]Fig.3.Schematics of the NiO/c-Si/TiO2solar cell structure[9].

3.2 TMO電子選擇性接觸材料的選擇及電池性能

TMO中研究較多的可作為電子選擇性接觸的是TiO2.Yang等[31]研究了n型 c-Si電池中不同接觸對電子輸運的影響,采用SiO2/TiO2雙層結構,提高了鈍化效果,電池效率提升至 22.1%.2018年,Bullock等[32]在之前研究[8]的基礎上采用了TiOx/LiFx復合電子選擇性接觸,效率提高到20.7%.

Liu等[33]研究表明,TiO2獲得良好鈍化效果的原因在于形成的Si-O-Ti鍵鈍化了懸掛鍵.而ZnO雖然與 TiO2的能帶結構非常相近,但是ZnO卻不能形成類似的鍵,不能起到鈍化作用.最終,采用 TiO2時電池開路電壓為 643mV,填充因子為72.4%;而采用ZnO時電池開路電壓為637mV,填充因子為75.2%,兩者并沒有表現出顯著的差別.

與此相反,Khan 等[34]研究表明,溶膠–凝膠法制備的銀摻雜的富鋁氧化鋅(ZnO:Al:Ag)對n-Si表現出明顯的鈍化效果,少子壽命達到1581.2,iVoc(implied Voc)達到 688.1mV.并將這種鈍化歸因于ZnO:Al:Ag制備過程中自然形成的SiOx的化學鈍化,以及ZnO/Si界面誘導電荷導致的場效應鈍化.

3.3 TMO/c-Si界面鈍化層的研究

由于TMO與c-Si之間晶格不匹配,對c-Si表面鈍化較差,TMO/c-Si界面缺陷態密度較高,直接形成的異質結電池性能較差[16].為此,人們采用在兩者之間增加鈍化層的方案,最常用鈍化材料為a-Si:H和SiOx.

2014年,Battaglia等[17]在之前研究基礎[16]上采用本征a-Si:H鈍化層,形成MoOx/a-Si:H/c-Si結構,開路電壓大幅提高,達到 711mV,電池效率達到18.8%.而目前基于MoOx空穴選擇性接觸得到最高效率的電池中,c-Si兩個表面均采用了本征a-Si:H鈍化,開路電壓Voc達到了725.4mV[26].

Gerling 等[15]、Khan 等[34]和 Tong 等[35]研究發現,雖然采用熱蒸發和溶液法制備MoOx時都會在c-Si表面自然形成SiOx,起到一定的化學鈍化作用,但是由于SiOx致密性較差,難以獲得優異的鈍化效果.所以需要單獨的工藝過程來實現致密SiOx鈍化層.臭氧氧化、濃硝酸氧化和雙氧水氧化獲得的SiOx鈍化層在TOPCon電池中取得了優異的結果[4,5],這可以借鑒到DASH電池的研究中.

最近,Masmitjà等[12]在 TiO2/c-Si界面采用原子層沉積0.5nm的超薄Al2O3作為鈍化層,使得表面復合速率降低到33cm/s,相應的iVoc達680mV.

3.4 DASH電池器件結構的研究

基于TMO構建的DASH電池多數采用了前結雙面接觸結構,如圖4所示,也就是說空穴選擇性接觸在光的入射面,收集電子和空穴的電極分別在電池的兩側[8,9,16,25,26].這種常規結構的電池,最高獲得了22.5%的轉化效率,是目前所有基于TMO的電池中的最高記錄[26].

圖4 (a)MoOx/c-Si異質結太陽電池結構的示意圖;(b) 通過掃描電子顯微鏡成像的橫截面圖[16]Fig.4.(a) Schematics of the MoOx/n-Si heterojunction solar cell structure; (b) cross section imaged by scanning electron microscopy[16].

為了進一步提高光的利用率,參考SunPower公司的 IBC電池結構,Um等[10]、Wu等[11]和Masmitjà等[12]將空穴選擇性接觸和電子選擇性接觸均放在電池背面,如圖5所示,實現了全背接觸電池,效率分別達到15.4%,19.02%和19.1%.

實際上,PEDOT:PSS也是一種性能優良的空穴選擇性接觸材料[36],但是由于PEDOT:PSS自身的寄生光吸收較強,放在光入射面時電池效率不夠高.Zhang 等[37]通過引入 SiOx界面層,改善了Si表面的潤濕性,并將Si表面的極性從負偶極子改變為正偶極子[38],使得PEDOT:PSS和界面有更好的接觸,電池轉換效率提升到 13.31%.Zielke[39]將PEDOT:PSS放在電池的背面,并且優化了Si表面的預處理工藝,形成了“BackPEDOT”的電池結構,如圖6所示.當太陽光從電子接觸面入射時,電流密度得到顯著提升,電池效率達到20.6%.

圖5 全背接觸結構的太陽電池示意圖[10]Fig.5.Schematics of the full back contact solar cell structure[10].

3.5 國內研究現狀

圖6 (a)BackPEDOT 太陽電池正面;(b)BackPEDOT 太陽電池橫截面示意圖[39]Fig.6.(a)BackPEDOT solar cell front;(b)schematic cross-section of the BackPEDOT solar cell[39].

國內在基于TMO的載流子選擇性接觸及其構建的硅異質結太陽電池方面也進行了諸多有意義的研究.2015 年,暨南大學 Liang 等[27]提出一種新穎的甲基鈍化方式處理TMO/Si界面,鈍化效果明顯改善,電池性能得以提高.Ling等[40]在8Ω·cm的n型c-Si上采用電子束蒸發沉積金屬Ti,然后經過250℃氧氣氛圍退火形成TiO2,表面復合速率可以降低到16cm/s,表現出優異的鈍化性能,并歸因于 c-Si/TiO2界面形成 Si-O-Ti鍵以及SiO2界面層的化學鈍化作用.采用極低功函數的金屬Mg和SiO2作為背面全面積電子選擇性接觸,接觸電阻和復合電流密度分別降低到26mΩcm2和115fA/cm2[41].中山大學Wu 等[11]和Bao等[42]提出并設計了基于TMO/Au/TMO結構的多功能發射極(即空穴選擇性接觸).其中第一層TMO主要與c-Si接觸并引起c-Si表面的能帶彎曲,從而實現載流子的分離;Au薄膜厚度只有幾個納米,用于提高多層膜整體的導電性;第二層TMO主要起到減反層和載流子收集的作用.因此,TMO/Au/TMO結構的多層膜方塊電阻大大降低,同時起到空穴選擇性接觸和透明導電前電極的作用,可避免ITO的使用.

以V2Ox/Au/V2Ox為空穴選擇性接觸,采用IBC結構的電池被稱作無摻雜多層背接觸(MLBC)硅太陽電池,其結構如圖7所示,它的效率達到19.02%,為同類電池國內最高紀錄[11].

本課題組以熱蒸發MoOx為空穴選擇性接觸,以LPCVD制備的低硼摻雜氧化鋅(ZnO:B)為電子接選擇性接觸,分別構建了如圖8所示的兩種新型硅異質結太陽電池.

在傳統SHJ太陽電池結構的基礎上,采用MoOx(約 15nm)取代 p-a-Si:H/p-nc-Si:H 作為發射 極 ,形 成 MoOx/i-a-Si:H/n-c-Si/i-a-Si:H/n-nc-Si:H結構的電池.實驗發現MoOx/c-Si異質結中插入i-a-Si:H作為鈍化層可有效降低界面復合,較厚(約10nm)的i-a-Si:H薄膜,可提供更好的鈍化效果,但在太陽電池中導致材料寄生吸收和串聯電阻增大,電流密度和填充因子下降.

在MoOx/c-Si/ZnO:B結構太陽電池中,不同的ZnO:B摻雜濃度顯示了不同的電池性能.低摻雜的ZnO:B材料由于具有非簡并半導體的特性,可以起到良好的背場作用,進而有助于提升太陽電池的轉換效率.但是低摻雜ZnO:B材料的導電性相對不高,所以過厚的ZnO:B將會增大電池的串聯電阻,實驗證明相對優化的ZnO:B層厚度為100nm,此時 MoOx/c-Si/ZnO:B 結構電池獲得了16.6% 效率,結果如圖 9 所示.從圖 9(b)QE 曲線還可以發現,傳統的SHJ太陽電池采用n-nc-Si:H作為背場,實驗表明采用ZnO:B作為背場的電池在900—1200nm的長波區間具有更高的光譜響應.

圖7 MLBC 太陽電池結構[11]Fig.7.The structure of MLBC solar cell[11].

本課題組通過將傳統硅異質結電池與TMO相結合,構建了雙面的金屬氧化物硅異質結太陽電池,并驗證了由于BZO相較于n+-a-Si:H有更低的折射率和更高的電導率,作為ESL改善了器件的長波響應并降低了串聯電阻,從而實現更高的轉換效率.我們也在開發帶隙更寬的鈍化層,將其應用在更先進的太陽電池架構上.

表1 基于TMO載流子選擇性接觸的硅異質結太陽電池研究現狀Table1. Summary of Silicon Heterojunction Solar Cells Based on TMO Carrier Selective Contact.

圖8 使用MoOx作為空穴選擇性接觸的硅異質結電池結構 (a)n-a-Si:H作為電子選擇性接觸;(b)ZnO:B作為電子選擇性接觸[47]Fig.8.Silicon heterojunction cell structure using MoOxas hole selective contact;(a) n-a-Si:H as electron selective contact;(b)ZnO:B as electron selectivecontact[47].

圖9 采用MoOx作為空穴選擇性接觸,分別n+-a-Si:H和ZnO:B作為電子選擇性接觸的硅異質結電池特性 (a)J-V曲線;(b)EQE曲線[47]Fig.9.Characteristics of silicon heterojunction cells with MoOxas hole selective contact,n+-a-Si:H and ZnO:B as electron selective contact respectively:(a)J-V curve;(b)EQE curve[47].

4 TMO載流子選擇性接觸材料制備技術研究

制備TMO的技術很多,如熱蒸發和電子束蒸發技術等,由于制備過程中的低粒子轟擊成本較低而得到廣泛的應用[6,7,16,26,48],原子層沉積因其可實現對薄膜組分和厚度的精確控制也得到了重視[49].

TMO材料中氧空位對電學性能的調控至關重要,并最終影響電池性能[50].針對蒸發技術不能大范圍控制TMO中氧空位的問題,Greiner等[50]采用反應磁控濺射制備WOx,可以方便地調控薄膜的導電性、功函數以及寄生光吸收,最終電池效率達到16.6%.Boccard等[51]采用磁控濺射的方法在c-Si上制備MoOx,通過調整氧含量改變MoOx的空穴選擇能力,由于濺射的方法對硅片的損傷較大,在MoOx和c-Si之間增加了a-Si作為鈍化層,盡管此時少子壽命急劇下降,但是通過后續退火可以恢復大部分少子壽命,驗證了通過磁控濺射代替熱蒸發的方法獲得MoOx層并應用在太陽電池中的可行性.磁控濺射還有望通過摻雜來調控并提高材料的光電性能,但是濺射過程的粒子轟擊作用較強,還需要提出有效的控制方案.

溶液法也是制備薄膜的常用方法[35,52,53].溶液法制備的氧化鉬屬于青銅結構,并且含有氫元素,表示為H-MoOx.該類溶液法制備的H-MoOx最大的優點是材料的氧空位可以通過后續的低溫退火方便地改變,從而可以對其功函數進行調控,因此在有機太陽電池領域得到廣泛應用[52,54].Tong等[35]嘗試將類似溶液法制備的H-MoOx用作晶硅電池的空穴選擇性接觸,發現制備過程中會自然形成 SiOx,有一定的鈍化作用,如圖 10 所示.最后,溶液法制備的H-MoOx和熱蒸發制備的MoOx分別與c-Si形成異質結,接觸電阻和鈍化效果性能相當[17],表明該方法制備的H-MoOx在硅異質結電池中具有良好的應用前景.另一個潛在的優勢是,采取適當的后續處理方案,使H-MoOx含有的氫元素遷移到H-MoOx/c-Si的界面處,也許可以進一步增強鈍化效果[55,56].

圖10 (a)在 c-Si上沉積 MoOx 薄膜的橫截面圖像;(b)MoOx和 c-Si的交界處圖像;(c)EDS 線掃描區域的橫截面 STEM 圖像;(d)使用EDS線測量每個元素的組成分布,顯示在MoOx和c-Si之間形成薄的SiOx層[35]Fig.10.(a)The image of an as-deposited MoOxfilm on c-Si;(b)the image of the MoOxand c-Si interface;(c)cross-sectional STEM image for the region of the EDS line scan;(d)compositional distribution of each element measured using the EDS line scan showing a thinSiOxlayer formed between the MoOxand the c-Si[35].

5 現有研究中存在的問題及發展方向

從上述國內外研究現狀的分析可知,DASH太陽電池的研究近年來取得了快速進展,但依然存在一些問題有待深入研究.

1）空穴選擇性接觸:TMO/Ag/TMO多功能發射極具有高導電性和高透過率,但是Ag膜的存在導致長波透過率降低[57],所以需要IBC結構的電池.而銀納米線(AgNWs)既能夠提高導電性,又能夠兼顧寬譜域的高透過率[36,58,59],但是其功函數以及能帶位置與c-Si匹配不夠理想.因此,如果使用MoOx/Ag NWs/MoOx多層膜結構的空穴選擇性接觸,兼顧高功函數、高導電性和寬譜域的高透過率,有望提高電池性能.

2）界面鈍化層:常用的a-Si:H鈍化層既存在寄生吸收,又需要相對昂貴的PECVD設備;而自然氧化層鈍化效果則難以滿足要求.SiOx鈍化層已經在TOPCon電池中應用并取得了良好效果[4,5],可采用熱氧化[60]、濃HNO3氧化[61]以及場誘導[62]等方法來制備超薄致密的SiOx鈍化層,良好的SiOx界面層能夠減少c-Si襯底表面上的懸掛鍵,并且有效阻止光生載流子在表面附近的復合[63].進一步可以探索等離子體技術制備新型SiOxNy鈍化層的可能性.

3）BackDASH電池器件結構:以 MoOx/c-Si異質結作為光入射面的常規電池既要考慮MoOx光學性能,又要兼顧其電學性能[8,64].采用Back DASH電池新結構,將MoOx放在電池背面,則不必過多考慮其光學性能,更多考慮如何調控其功函數和導電率等電學特性.此外,這種電池以ZnO作為光入射面,特別是LPCVD生長的ZnO:B具有特征尺寸在幾十納米量級的絨面結構,而c-Si制絨后的金字塔絨面特征尺寸在幾個微米量級,所以電池前表面可以形成納米/微米復合陷光結構,有望進一步減小電池前表面的反射率,獲得寬譜域的超低反射效果.

4）載流子的分離機理和輸運過程:TMO/c-Si電池的光生載流子分離機理還不夠清楚,雖然提出了一些模型,但是都僅表明與材料的性能密切相關.使用MoOx/AgNWs/MoOx空穴選擇性接觸和ZnO電子選擇性接觸功函數和導電性可以在較大的范圍內調控,相應電池中載流子的分離機理和輸運過程應該有很大的不同.明確其中的載流子分離機理與輸運過程,將指導器件結構的優化以及電池性能的提高.

此外,高、低功函數的TMO不僅在硅基異質結太陽電池領域得到了廣泛研究,在有機太陽電池和鈣鈦礦太陽電池中也有著重要應用[65,66].高效Si電池和鈣鈦礦電池均可以通過基于TMO載流子選擇性接觸來實現,并且可以將兩者結合組成鈣鈦礦/Si疊層電池[67].特別是溶液法制備的TMO和溶液法制備的鈣鈦礦電池工藝兼容,易于實現良好的隧穿復合結,最終實現高效率的鈣鈦礦/Si疊層太陽電池[68].